Özet: Kopolimerler, geniş bir özellik ve uygulama yelpazesi sunan iki veya daha fazla farklı tipte monomerden oluşan bir polimer grubudur. Bu makalede, bu bileşik kategorisinin sınıflandırılması ve özellikleri incelenecek ve bunların tıp, biyoteknoloji, elektronik, paketleme ve enerji depolama dahil olmak üzere çeşitli endüstrilerdeki farklı uygulamaları tartışılacaktır.
Polimer bilimi alanında, kopolimerler, istisnai özellikleri ve homopolimerlere kıyasla farklı yapıları nedeniyle çok ilgi çekmiştir. Bu malzemeler, çok çeşitli benzersiz özelliklerle sonuçlanan farklı konfigürasyonlardaki birkaç monomerin polimerizasyonu yoluyla oluşturulur. Araştırmacılar, farklı monomerlerin stratejik seçimi ve kombinasyonu yoluyla, belirli hedefleri karşılamak için kopolimerler tasarlayabilir ve bunları birden fazla endüstride oldukça arzu edilen malzemelere dönüştürebilir.
Kopolimerler, iki veya daha fazla farklı tipte monomerin kimyasal olarak birbirine bağlandığı polimerizasyon işlemiyle üretilen bir polimer grubudur. Monomerler, birbirleriyle reaksiyona girebilen ve polimer adı verilen uzun zincirler oluşturabilen küçük moleküllerdir. Polimerizasyon sırasında birkaç tip monomer kullanılarak, homopolimerlere (bir tip monomerden oluşan polimerler) kıyasla farklı özelliklere sahip kopolimerler oluşturulur. Kopolimerler, polimer bilimi alanında önemli bir rol oynar ve yapılarında kullanılan tek tek monomerlerin özelliklerinin kombinasyonundan kaynaklanan kapasiteleri nedeniyle, geniş bir malzeme özelliği ve özelliği yelpazesiyle sonuçlanan geniş
uygulamalar bulmuşlardır. Kopolimerlerin polimerizasyonu, her biri elde edilen kopolimerin yapısını ve özelliklerini etkileyen farklı yöntemlerle yapılabilir. Kopolimerlerin bileşimi ve yapısı, polimerizasyon işlemi sırasında iki veya daha fazla farklı monomerin birleştirilmesiyle belirlenir. Elde edilen kopolimer, elde edilen polimerin özelliklerini ve özelliklerini etkileyen benzersiz bir monomer düzenlemesine sahiptir. Monomerlerin seçimi ve kopolimer zincirindeki dizilişi, sentezlenen kopolimerin fiziksel, kimyasal ve mekanik özellikleri üzerinde etkilidir. Kopolimerler, onları oluşturan monomerlerin en iyi özelliklerini birleştirerek, onları çok çeşitli uygulamalarla çok yönlü malzemelere dönüştürecek şekilde tasarlanabilir. Kopolimerlerin bileşimi ve yapısı, özel plastiklerin, elastomerlerin, kaplamaların ve biyomedikal malzemelerin üretimi gibi belirli endüstriyel ve teknolojik ihtiyaçları karşılayacak şekilde uyarlanabilir.Kopolimerlerin sınıflandırılması, polimer zincirindeki farklı monomer türlerinin düzenlenmesine dayanır. Kopolimerler, polimerizasyon işlemi sırasında birbirine kimyasal olarak bağlanan iki veya daha fazla farklı monomerden oluşur. Bu monomerlerin polimer zincirindeki dizilişi, kopolimerin tipini belirler ve özelliklerini, davranışlarını ve uygulamalarını etkiler. Monomer düzenlemesine bağlı olarak, dört ana kopolimer sınıfı vardır (Şekil 1):
Rastgele kopolimerlerde, monomerler polimer zinciri boyunca rastgele yerleştirilir ve bu da tekrar eden birimlerin düzensiz dağılımına neden olur. Bu rastgele düzenleme, polimer boyunca çeşitli kimyasal ve fiziksel özelliklerin oluşmasına yol açar. Rastgele kopolimerleri, farklı monomerlerin birbirine karıştırıldığı ve bunların rastgele kombinasyonlarının büyüyen polimer zincirinde meydana geldiği serbest radikal polimerizasyon yoluyla sentezlemek nispeten kolaydır. Rastgele kopolimerlerin özellikleri, bileşen homopolimerlerin özellikleri arasındadır ve onları çok yönlü bir malzeme sınıfı haline getirir. Stiren-bütadien kauçuğu (SBR), mükemmel esnekliği, aşınma direnci ve düşük sıcaklıklardaki performansı nedeniyle lastik endüstrisinde yaygın olarak kullanılan rastgele bir kopolimerdir (Şekil 2).
PP-R (Polipropilen Rastgele Kopolimer), propilen monomerden türetilen bir tür termoplastik polimerdir. Bu yapı rastgele bir kopolimer olarak sınıflandırılır, yani propilen monomer birimlerinin yanı sıra küçük miktarlarda bir komonomer, tipik olarak etilen içerir. Komonomer birimlerinin bu rastgele düzenlenmesi, malzemenin özelliklerini ve performansını iyileştirir (Şekil 3).
PP-R’nin özellikleri şunlardır: • Yüksek sıcaklık dayanımı: PP-R nispeten yüksek sıcaklıklara dayanabilir ve sıcak ve soğuk su uygulamaları için uygundur. Uzun süreler için 95°C’ye (203°F) kadar ve daha kısa süreler için 110°C’ye (230°F) kadar dayanabilir. • Kimyasal dayanıklılık: Bu malzeme, genellikle boru sistemlerinde bulunan asitlerin, bazların ve kimyasal maddelerin çoğuna karşı çok dirençlidir ve uzun ömürlü ve güvenilir olmasını garanti eder. • Düşük Isı İletkenliği:PP-R’nin düşük ısı iletkenliği vardır, bu da sıvı sıcaklıklarının metal borular gibi diğer malzemelerden daha iyi korunmasına yardımcı olduğu ve ısı kaybını azalttığı anlamına gelir. • Korozyon direnci: Metal boruların aksine, PP-R korozyona uğramaz ve suyun safsızlıklardan arınmış kalmasını ve boruların daha uzun ömürlü olmasını sağlar. • Hafiflik:: PP-R borular hafiftir, bu da onların taşınmasını ve kurulmasını kolaylaştırır ve inşaat sırasındaki işçilik maliyetlerini azaltır. • Gürültü azaltma: PP-R borular ses sönümleme özelliğine sahiptir ve bu nedenle diğer bazı borulara göre daha sessiz su akışı gösterirler.
Değişen kopolimerlerde, monomerler polimer zinciri boyunca düzenli ve öngörülebilir bir modelde yerleştirilir. Elde edilen yapı, kararlı ve iyi tanımlanmış bir düzenleme oluşturan iki monomerin tekdüze bir tekrarıdır. Alternatif kopolimerler genellikle, iki tamamlayıcı monomerin birbiriyle reaksiyona girerek işlemdeki küçük molekülleri uzaklaştırdığı kademeli büyüme polimerizasyonu yoluyla sentezlenir. Polietilen tereftalat (PET), mukavemeti, şeffaflığı ve yüksek nem direnci nedeniyle içecek şişelerinde yaygın olarak kullanılan, etilen glikol ve tereftalik asit birimlerinden oluşan alternatif bir kopolimerdir (Şekil 4).
Blok kopolimerler, birbirine kovalent olarak bağlı iki veya daha fazla ayrı monomer bloğundan oluşur. Her blok, bir sonraki bloğa geçmeden önce nispeten uzun bir monomer tipi dizisine sahiptir. Blok kopolimerler, farklı özelliklere sahip ayrı alanların veya alanların oluşumuna yol açan mikrofaz ayrımına sahiptir. Blokların düzenlenmesi, blok kopolimerlere gelişmiş mekanik özellikler ve iyileştirilmiş faz stabilitesi gibi benzersiz özellikler verir. Polistiren-polibütadien (SBS), yapıştırıcılarda ve ayakkabı tabanlarında kullanılan bir blok kopolimerdir. Polistiren blok mukavemete neden olurken, polibütadien blok esneklik ve esnekliğe neden olur (Şekil 5).
Aşı kopolimerleri, farklı monomerlerin yan zincirlerinin eklendiği bir tip monomerden oluşan bir ana zincire (omurga) sahiptir. Yan zincirler kısa veya uzun olabilir ve ana zincir boyunca düzenli ve rastgele dağılmış olabilir. Bağlı kopolimerler, ana zincirin ve yan zincirin özelliklerini birleştirir ve sonuç olarak benzersiz bir özellik kombinasyonu oluşturur. Aşılanmış nişasta kopolimerleri toprak iyileştirici olarak kullanılır. Kopolimerin ana zinciri suda çözünürlüğü sağlarken, yan zincirler toprak yapısını ve su tutmayı iyileştirmeye yardımcı olur (Şekil 6).
Her bir kopolimer sınıfı, onları çeşitli endüstrilerde ve bilimsel alanlarda çok yönlü ve değerli malzemeler haline getiren farklı avantajlara ve uygulamalara sahiptir. Kopolimer bileşiminin seçimi, belirli bir uygulama için gereken özelliklere ve polimerizasyon işleminde kullanılan sentez yöntemine bağlıdır.
Kopolimer sentez yöntemleri, iki veya daha fazla farklı monomerin polimerizasyonu yoluyla kopolimerler üretmek için kullanılan çeşitli teknikleri ifade eder. Bu yöntemler, özel bileşimlere, yapılara ve özelliklere sahip kopolimerlere yol açan farklı monomerlerin kontrollü entegrasyonuna izin verir. Kopolimerlerin bazı yaygın sentez yöntemleri aşağıda tartışılacaktır.
Serbest radikal polimerizasyon, kopolimer üretimi için en yaygın kullanılan yöntemlerden biridir. Bu süreçte, monomerlerin polimerizasyon reaksiyonunu başlatan serbest radikalleri üretmek için bir radikal başlatıcı kullanılır. Monomerler bu serbest radikallerle reaksiyona girerek kopolimer zincirleri oluştururlar. Sıcaklık ve konsantrasyon gibi reaksiyon koşulları, monomerlerin dahil edilmesini ve nihai kopolimerin bileşimini kontrol edecek şekilde ayarlanabilir.
İlave polimerizasyon, karbon-karbon çift bağları içeren monomerlerin (doymamış monomerler) bir kopolimer oluşturmak için bir dizi ilave reaksiyona girdiği bir polimerizasyon türüdür. Ekleme polimerizasyonunun yaygın yöntemleri, radikal ekleme polimerizasyonu (Şekil 7) ve koordinasyon polimerizasyonunu içerir. Bu yöntem, farklı oranlarda ve monomer dizilimlerinde kopolimerlerin sentezine izin verir.
Yoğunlaşma polimerizasyonu, monomerler ile hidroksil ve karboksil grupları gibi fonksiyonel gruplar arasındaki reaksiyonu içerir. Reaksiyon sırasında su veya metanol gibi küçük moleküller uzaklaştırılır, bu da kopolimer ve diğer yan ürünlerin oluşumuna yol açar. Bu yöntem genellikle polyesterler ve poliamidler gibi kopolimerleri üretmek için kullanılır (Şekil 8)
Halka açma polimerizasyonu, laktonlar ve halka esterler gibi halka monomerleri için kullanılır. Bu reaksiyon monomerlerin halka yapısını açarak polimerleşmelerini ve kopolimerler oluşturmalarını sağlar. Bu yöntem, polietilen glikol-ko-kaprolakton (PEG-ko-PCL) ve polilaktik asit-ko-glikolik asit (PLGA) gibi kopolimerleri üretmek için kullanılır (Şekil 9).
Canlı radikal polimerizasyon, canlı anyonik polimerizasyon ve canlı katyonik polimerizasyon gibi canlı polimerizasyon teknikleri, polimerizasyon sürecinin hassas bir şekilde kontrol edilmesini sağlar. Bu yöntemler, iyi tanımlanmış zincir uzunlukları, düşük dağılım ve kontrollü monomer dizileri ile kopolimerlerin sentezini mümkün kılar.
: Emülsiyon polimerizasyonu, monomerlerin yüzey aktif maddeler yardımıyla sulu bir ortamda dağıldığı bir işlemdir. Polimerizasyon, monomer emülsiyon damlacıklarında meydana gelir ve kopolimer partiküllerinin oluşumuna yol açar. Emülsiyon polimerizasyonu genellikle kaplamalarda ve yapıştırıcılarda kullanılan lateks kopolimerleri üretmek için kullanılır (Şekil 10).
Süspansiyon polimerizasyonu, emülsiyon polimerizasyonuna benzer, ancak monomerler, stabilizatörler yardımıyla susuz bir ortamda dağılır. Monomerler asılı damlacıklar halinde polimerize edilir ve kopolimer partikülleri oluşturur. Süspansiyon polimerizasyonu, polivinil klorür (PVC) gibi kopolimerleri üretmek için kullanılır.
Kopolimerlerin çeşitli özellikleri, farklı endüstrilerde geniş bir uygulama yelpazesi açar
Kopolimerler tıp ve biyoteknoloji alanında bir devrim yaratmıştır, bazı uygulama alanları aşağıda verilmiştir: (a) Hedefli ilaç dağıtımı: Kopolimerler, yan etkileri azaltırken terapötik etkinliği artırarak ilaçların kontrollü ve sürekli salımını sağlayabilir. Örneğin poli(laktik-ko-glikolik asit) kopolimerleri (Poli(laktik-ko-glikolik asit), PLGA), çeşitli terapötik uygulamalar için ilaç verme sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır (Şekil 11).
(b) Doku mühendisliği: Biyouyumlu kopolimerlerden yapılan çerçeve, doku rejenerasyonuna ve organ nakline yol açabilir. Örneğin, kemik ve kıkırdak rejenerasyonu için doku mühendisliği çerçevelerinde kullanılan poli(laktid-ko-kaprolakton) kopolimerlerinden (Poli(laktid-ko-kaprolakton), PLCL) bahsedebiliriz. (c) Tıbbi implantlar: Uygun mekanik ve biyouyumlu özelliklere sahip kopolimerler, eklem replasmanı ve diş uygulamaları için implant malzemesi görevi görür. Polietereterketon (PEEK) kopolimerleri, biyouyumlulukları ve mekanik dayanımları nedeniyle ortopedik implantlarda kullanılmaktadır.
Kopolimerler, yenilikçi ambalaj malzemelerinin geliştirilmesine önemli ölçüde katkıda bulunmuştur. Koruyucu özellikler: Kopolimerler, ambalajların gaz ve neme karşı koruyucu özelliklerini geliştirir ve çabuk bozulan ürünlerin kullanım ömrünü uzatır. Etilen vinil alkol (EVOH) kopolimerleri, gıda ambalajlarında oksijen girişini engellemek ve içeriklerin tazeliğini artırmak için yaygın olarak kullanılmaktadır. Biyobozunur kopolimerler: Çevre dostu kopolimerler, sürdürülebilir paketleme çözümlerine katkıda bulunur ve çevresel etkileri azaltır. Yenilenebilir kaynaklardan türetilen kopolimerler olan polilaktik asit (PLA), biyolojik olarak parçalanabilen ambalaj malzemelerinde giderek daha fazla kullanılmaktadır.
Belirli kopolimerlerin benzersiz elektronik özellikleri, onları elektronik cihazlarda değerli kılar. Örneğin: Organik Işık Yayan Diyotlar (OLED’ler): Yüksek “elektron ve delik” hareketliliğine sahip kopolimerler, OLED’lerde verimli radyasyon katmanları görevi görerek ekran performansının ve enerji verimliliğinin artmasına neden olur. Organik Fotovoltaikler (OPV’ler):Ayarlanabilir enerji seviyelerine sahip kopolimerler, güneş pillerinde fotovoltaik performansı iyileştirmeye yardımcı olur.
Kopolimerler, enerji depolama ve dönüştürme cihazlarında hayati bileşenlerdir. Li-ion piller: Kopolimerler, kararlı elektrolitler sağlayarak ve dendrit oluşumunu önleyerek Li-ion pillerin performansını ve güvenliğini artırabilir. Örneğin, polietilen okside (PEO) dayalı kopolimerler, potansiyelleri nedeniyle katı hal lityum pillerde araştırılır. Yakıt hücreleri: Proton ileten kopolimerler, daha düşük sera gazı emisyonları ile verimli enerji dönüşümünü kolaylaştıran proton değişim membranlı yakıt hücrelerinin (PEMFC’ler) temel bileşenleridir (Şekil 12).
Sonuç olarak, kopolimerler, çok çeşitli uygulamalara ve sentez yöntemlerine sahip, çok yönlü ve temel bir malzeme sınıfı olarak ortaya çıkmıştır. Kopolimerlerin farklı monomerleri kontrollü bir şekilde birleştirme yeteneklerinin yüksek olduğu ve bunun sonucunda farklı özelliklere sahip geniş bir malzeme yelpazesi oluşturabildikleri kanıtlanmıştır. Monomerleri dikkatli bir şekilde seçerek ve oranlarını ayarlayarak, kopolimerler, artan mekanik mukavemet, iyileştirilmiş termal stabilite, arttırılmış esneklik ve yüksek kimyasal direnç dahil olmak üzere bir dizi istenen özelliği gösterecek şekilde tasarlanabilir. Bu özellikler, kopolimerlerin paketleme, otomotiv, sağlık, elektronik vb. sektörlerde devrim yaratmasını sağlar. Ek olarak, kopolimerlerin sentezine yönelik yöntemler önemli ölçüde iyileşerek moleküler mimariler ve uygun dağılım modelleri üzerinde hassas kontrole olanak sağlamıştır. Serbest radikal polimerizasyonu, sıkıştırma polimerizasyonu ve yaşayan polimerizasyon gibi teknikler, spesifik yapılara ve dar moleküler ağırlık dağılımına sahip kopolimerlerin tasarımında çok önemli roller oynamıştır. Ek olarak, nanoteknoloji ve polimerizasyon tekniklerindeki gelişmeler, karmaşık işlevselliklere ve nanoyapılı morfolojilere sahip kopolimerler üretmek için yeni fırsatlar sağlamıştır. Son yıllarda araştırma çabaları, yenilenebilir hammaddeler kullanarak ve yeşil kimya ilkelerini uygulayarak sürdürülebilir ve çevre dostu kopolimer üretim yöntemleri geliştirmeye odaklanmıştır. Bu çevreye duyarlı yaklaşımlar, kopolimer üretiminin çevresel etkilerinin azaltılmasına ve daha sürdürülebilir bir geleceğin inşasına yardımcı olacaktır. Özetle, kopolimerler malzeme bilimi ve mühendisliğinin mihenk taşı olarak ortaya çıkmıştır ve yenilik ve yaratıcılık için geniş bir kapsam sunmaktadır. Gelecekte, kopolimerler için pek çok gelişme göreceğiz ve bunların teknolojik ilerlemedeki ve küresel zorluklarla yüzleşmedeki rolleri gizlenemez. Disiplinler arası işbirliklerini teşvik ederek ve sürdürülebilir uygulamaları benimseyerek, kopolimerlerin potansiyelini tamamen genişletebilir ve daha iyi ve daha sürdürülebilir bir dünya için dönüştürücü güçlerinden yararlanabiliriz.
1. Singh, N., & Riaz, U. (2022). Recent trends on synthetic approaches and application studies of conducting polymers and copolymers: a review. Polymer Bulletin, 79, 10377-10408. 2. Policastro, G., Panico, A., & Fabbricino, M. (2021). Improving biological production of poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV) co-polymer: a critical review. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 20, 479-513. 3. Journal of Polymer Research. (2023). A peer-reviewed journal that covers all aspects of polymer science and engineering. 4. Raza, Z. A., Abid, M., Banat, F., & Shakeel, A. (2019). Polyhydroxyalkanoates: characteristics, production, recent developments and applications. International Journal of Biological Macromolecules, 133, 850-867. 5. Feng H, Lu X, Wang W, Kang NG, Mays JW. Block Copolymers: Synthesis, Self-Assembly, and Applications. Polymers (Basel). 2017 Oct 9;9(10):494.